天線測試系統校準方法的研究

宋 云

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 210003)

0 引言

在近場或遠場的條件下，通過控制發射系統、射頻接收系統、轉臺或掃描架，天線測試系統采集被測天線在指定工作頻率接收的數據，經過數據處理，得到天線的方向圖等天線參數信息。天線測試系統的工作頻率不同，對發射系統的要求是提供頻率穩定、有一定功率的信號。接收機可以采用具有很高動態范圍的矢量網絡分析儀或頻譜分析儀。轉臺系統要求提供穩定性和重復性好的水平和垂直方向控制能力。常常根據被測天線和測試場地的特點，對發射系統和射頻接收系統提出一定的技術指標要求，以滿足天線測試的要求。同時，由于天線測試的影響因素較多，系統的綜合檢測也非常重要。因此，天線測試系統的校準應根據射頻發射系統和射頻接收系統的技術條件進行校準，同時應進行系統校準，驗證系統的正常運行。

1 天線測試系統的技術指標

天線測試系統的性能指標受到接收和發射子系統、轉臺子系統、測量頻段、測量模式以及測量軟件的綜合影響。本文討論的某天線測試系統，其連接圖見圖1。測試場地為戶外的滿足遠場測試條件的場所，且測試場地的測試條件已經得到驗證。

系統的性能指標應考慮如下:

(1）系統頻率范圍

系統頻率范圍在100 MHz～18 GHz。

(2）系統線性動態范圍

天線測試系統中將接收機接收到的主瓣最大電平值和接收機的為測試讀數的峰-峰值小于某一個固定值(如＜1.5 dB）的差值定義為接收機的線性動態范圍。當信噪比下降時，接收機仍然可以檢測到信號的變化，但是測量的讀數受到噪聲的影響而產生較大的起伏。根據天線的特點，一般系統線性動態范圍達到60 dB 即可滿足天線遠場測試的需求。

圖1 天線測試系統測試連接圖

(3）系統線性度

系統線性度為＜0.2 dB/10 dB。

2 天線測試系統的校準方法

天線測試系統的校準主要包含三大部分，一是發射子系統的技術指標，二是射頻接收子系統轉臺的技術指標，三是天線測試系統的整體性能指標。

2.1 發射子系統

發射子系統包括發射信號源、發射天線。發射信號源的校準依據JJG173-2003《信號發生器檢定規程》，校準項目包括頻率準確度、最大輸出功率、絕對電平準確度、相對電平準確度、諧波、分諧波、非諧波、載波的剩余調幅和剩余調頻等指標，其校準結果應在信號源技術指標范圍內。

2.2 射頻接收子系統

射頻接收子系統包括接收機、本振源、中頻/本振單元以及測試/參考混頻器等，其中接收機是射頻子系統的關鍵。本系統采用矢量網絡分析儀N5244A 作為測試接收機。依據GJB/J3608-99《自動網絡分析儀檢定規程》，校準項目為內部源的校準、測試端口S 參數和系統測試指標，其校準指標應符合矢量網絡分析儀的主要技術要求。

天線測試的射頻接收子系統通過外混頻、中頻接收的模式工作，0.3～3 GHz為外混頻方式，2～18 GHz為外混頻基波方式。射頻接收子系統包含2 對混頻器，即0.3～3 GHz 頻段以及2～18 GHz 頻段的測試和參考混頻器。根據被測天線的工作頻率，選用不同的混頻器，系統的其他儀器連接方式不變。

天線遠場測試系統的射頻接收子系統，其有效測量范圍(信號電平）和變化值決定了被測天線與幅度值相關的電性能。射頻接收子系統主要參數為線性度和線性動態范圍。

將射頻子系統按照系統連接圖連接后(與現場連接相同），根據發射系統所確定的功率，在不同頻率下，通過調節衰減器，測試接收機在不同信號強度時的信號變化的線性度范圍和峰-峰值變化，即為可用動態范圍。

在實際天線測試中，依據該可用動態范圍，確保被測天線最大副瓣接收信號處于此范圍內，而峰-峰值的變化即為接收信號的變化。這實際上確定了天線測試過程中被測天線波束峰值、最大副瓣峰值的最大變化值。

射頻接收子系統測試連接圖見圖2。信號源輸出的信號進入功分器，分成兩路，一路進入參考混頻器，另一路進入可調衰減器。可調衰減器輸出的信號進入測試混頻器。測試混頻器通過電纜和中頻/本振單元傳遞測試通道的中頻信號和本振信號。參考混頻器通過電纜和中頻/本振單元傳遞本振信號、中頻信號和本振功率檢波信號，中頻/本振單元將放大后的測試通道和參考通道的中頻信號經電纜送入接收機后面板的B和R1中頻直接接入端口。接收機的參考晶振輸出接入信號源的參考晶振輸入端，接收系統共享同一個晶振。

圖2 射頻接收子系統測試連接圖

信號源頻率設為0.3 GHz，－20 dBm，可調衰減器設為0 dB，此時用功率計讀取測試混頻器和參考混頻器輸入端的功率值，記錄測試值。重新連接好測試混頻器和參考混頻器輸入端的電纜，10 倍步進調整可調衰減器的衰減量，減小測試通道信號的功率電平，在接收機上讀取測試結果。同時，記錄接收機讀數的峰-峰值，分析射頻接收子系統的線性度范圍。當測試通道信號電平步進減小直至接收機系統線性區(如峰-峰值超過1.5 dB）后，線性度和系統線性動態范圍測試即可完成。

改變信號源頻率分別為1.0、2.0和2.8 GHz。重復上述過程，測試射頻接收子系統的線性度和系統線性動態范圍。測試結果見表1。

2～18GHz 范圍內的射頻接收子系統的線性范圍和靈敏度的測試需要更換2～18 GHz測試混頻器和參考混頻器，設置頻率分別為2.5、4、8、12、15和18 GHz。重復上述測試過程，測試射頻接收子系統2～18 GHz 范圍內的線性度和系統線性動態范圍。測試結果見表2。

表1 0.3～3 GHz 射頻接收子系統測試結果

表2 2～18 GHz 射頻接收子系統測試結果

上述測試結果表明:針對天線遠場測試系統對射頻子系統的需求，射頻子系統方案設計時的線性度和系統線性動態范圍在18 GHz 以下頻率范圍，滿足天線測試要求。

2.3 天線測試系統的整體性能校準

本天線測試系統的轉臺為極化轉臺和方位/俯仰轉臺構成的三維轉臺，由一臺控制器統一控制，可以手動(面板）和電動(計算機）控制。轉臺的技術參數主要包括載重能力、旋轉角度范圍、最大旋轉速度和重復定位精度等。三維轉臺的角度重復定位精度:極化轉臺為± 0.02°，方位轉臺為± 0.03°，俯仰轉臺為±0.04°。其中水平方向重復定位角度精度是轉臺最重要的參數指標，它確保了天線測試的最大波束指向的重復性(或誤差）。

天線測試系統測量軟件包括系統控制軟件、天線采集/分析軟件以及信號源、接收機、轉臺控制器等的驅動軟件。標準天線分析功能包括天線方向圖峰值和指向、波寬以及副瓣和位置，方向性系數或增益，單脈沖和差方向圖，園極化方向圖和軸比，直角坐標、極坐標方向圖和數據列表，掃描統計，以及分析比較等。

為了驗證天線遠場測試系統的準確性，主要測試天線峰值電平、波束指向、波束寬度、副瓣電平、副瓣位置的重復性。采用1.5 m 柵條天線測試天線方向圖，驗證指標為方向圖的重復性，包括波束峰值和指向、3 dB波束寬度等。波束指向和3 dB波束寬度的重復性也間接驗證了轉臺的水平方向重復定位角度精度。測試結果見表3，頻率測試點測試數據重復性統計見表4。測試結果顯示該天線測試系統具有很好的重復性。

表3 各頻率測試點平均數據值

表4 各頻率測試點測試數據重復性統計

3 結束語

本文討論的天線測試系統包括了射頻系統、轉臺系統和軟件控制、測量和分析。通過對天線測試系統的分析研究，射頻系統接收機具有較好的線性動態范圍和線性度，轉臺系統具有較好的重復性，軟件系統功能完整，可以滿足無源天線的測試。

在天線測試場地確定的情況下，對天線遠場測試系統進行了發射子系統、射頻接收子系統、天線測試系統整體性能校準，滿足天線測試系統校準需求，確保該天線遠場測試系統在完成校準后可以完成天線性能指標測試。

［1］齊巖，等.天線測試平臺系統設計與安裝［J］.計測技術，2009(2）.

［2］李福劍，李彥文.天線測試中的誤差分析［J］.艦船電子對抗，2007(1）.

［3］王小強.基于矢網的天線饋源自動測量系統//第十九屆測控、計量、儀器儀表學術年會(MCMI’2009）論文集，2009.